【摘要】：盡管沸騰現(xiàn)象普遍存在,但因涉及復(fù)雜的相變過程、汽泡運動、對流流動等方面,故其相關(guān)機理尚不完全清楚。核態(tài)沸騰的傳熱機理和高效換熱能力的成因成為長期以來的研究熱點。目前經(jīng)驗或半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式通常用于沸騰換熱的計算,但由于沸騰的復(fù)雜性,現(xiàn)有的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和研究成果有其應(yīng)用局限性,而且實驗手段和工況的差異,使有關(guān)沸騰換熱的關(guān)聯(lián)式往往存在較大偏差。大尺度垂直換熱管外沸騰換熱廣泛應(yīng)用于新一代核電系統(tǒng)中,如反應(yīng)堆、非能動安全系統(tǒng)和乏燃料的貯存冷卻等,其不同于常規(guī)的池沸騰,更不同于管內(nèi)流動沸騰。且現(xiàn)有的研究主要著眼于壁面過熱度、汽化核心數(shù)、汽泡的形成和蒸發(fā)的微觀機制。因此,開展大尺度垂直管外沸騰換熱的研究,突出汽泡的動力過程以及介觀和宏觀傳熱機理研究相結(jié)合,對揭示沸騰換熱的運動規(guī)律有科學(xué)意義,對核電工程系統(tǒng)等工業(yè)相變換熱設(shè)備的設(shè)計也有著重要的指導(dǎo)意義。本文以大尺度垂直管外池沸騰為研究對象,運用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法,分析了受限空間內(nèi)垂直換熱管外池沸騰的汽泡行為和動態(tài)特性、局部流動換熱機制以及整體流動換熱規(guī)律。主要的研究工作及取得的研究成果如下:運用VOF多相流模型和Lee傳質(zhì)模型,對受限空間內(nèi)垂直管外池沸騰進行CFD模擬。建立受限空間內(nèi)大尺度垂直換熱管外沸騰換熱的數(shù)值模型,分析了影響沸騰換熱特性的關(guān)鍵因素汽泡行為,以及其影響下的局部換熱特性。結(jié)合可視化實驗中觀測到的汽泡形態(tài)和行為,分析了汽泡的成長合并機制和大汽泡的破裂及尾流特性。分析蒸汽泡的形態(tài)、分布和相互間的作用,可發(fā)現(xiàn)受限空間內(nèi)垂直換熱管高度方向上汽泡行為存在四個區(qū)域:孤立汽泡區(qū)(汽泡尺度均勻),汽泡聚合成長區(qū)(汽泡尺度出現(xiàn)差異化),汽泡聚合和裂變區(qū),汽泡行為混沌區(qū)(汽泡行為和形態(tài)多樣化且復(fù)雜化)。同時也確立了數(shù)值模擬方法的可靠性和準(zhǔn)確性。構(gòu)建垂直換熱管外池沸騰實驗平臺,進行大氣壓力條件下受限空間和開放空間沸騰換熱的實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)從自然對流到過冷沸騰,至最后達到飽和沸騰,換熱管外壁面溫度和換熱系數(shù)在換熱機制轉(zhuǎn)變中存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)折點。不同高度上,自然對流和過冷沸騰的發(fā)展時間有所不同,換熱管下部自然對流持續(xù)時間最長,且下部過冷沸騰階段換熱系數(shù)存在一個陡升,最終換熱管上下水域幾乎同時達到飽和沸騰。與開放空間垂直換熱管外池沸騰相比,受限空間內(nèi)的池沸騰換熱能夠縮短水箱下部達到飽和溫度的時間,有效減弱池內(nèi)的熱分層。基于新一代核電系統(tǒng)的非能動余熱排出換熱器(PRHR HX),建立原尺度的垂直換熱管束通道內(nèi)沸騰換熱的數(shù)值模型,并由經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和西屋公司開展的實驗數(shù)據(jù)驗證了其準(zhǔn)確性。數(shù)值結(jié)果表明:PRHR HX不同高度上的核態(tài)沸騰的物理場存在更為明顯的差異,這也表明對于大尺度垂直管外沸騰換熱應(yīng)用傳統(tǒng)的整體長度核算設(shè)計將會形成偏差。另外,分析了管間距(2D×4D)效應(yīng),小間距(2D)對應(yīng)壁面換熱性能的波動性大,但能夠形成相對較高的對流速度,大間距與小間距的有效結(jié)合(2D×4D)是一種很有效的強化換熱方式。通過對比4m和5.486m管長,相同位高壁面換熱系數(shù)差異不明顯,短管略低于長管;而對于整個換熱壁面換熱系數(shù),短管卻優(yōu)于長管。該研究對指導(dǎo)非能動冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,以及其它應(yīng)用池沸騰的核電工程設(shè)計具有重要的借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

和非能動乏燃料池的冷卻系統(tǒng)，這些非能動安全系統(tǒng)均采用大池內(nèi)管束池沸逡逑騰模式實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移和排出Ｕ，２１。逡逑以非能動余熱排出系統(tǒng)為例（圖１－１），非能動余熱排出換熱器（ＰＲＨＲ逡逑ＨＸ）布置在換料水箱（丨ｎ－ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｗａｔｅｒ邋Ｓｔｏｒａｇｅ邋Ｔａｎｋ，邋ＩＲＷＳＴ）逡逑內(nèi)，發(fā)生失水事故后，反應(yīng)堆內(nèi)的冷卻劑流入換熱器管程，將熱量傳遞給逡逑１ＲＷＳＴ中的水，約２小時后，池水達到飽和狀態(tài)并開始沸騰，產(chǎn)生的蒸汽逡逑排放到安全殼的大氣中，從而導(dǎo)出堆芯衰變熱，保證堆芯的安全［２，３】。非能動逡逑余熱排出換熱器由上千根光管密集排布而成，管間受限空間內(nèi)的沸騰現(xiàn)象既逡逑不同于典型的池態(tài)沸騰，也不同于管內(nèi)流動沸騰。另一方面，換熱管高度達逡逑５ｍ以上（尺度大），不同高度上的沸騰換熱及流動特性存在差異。逡逑目前

山東大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑實現(xiàn)傳熱終端流體域的沸騰，其熱量傳遞機制如圖２－２所示。由于難以準(zhǔn)確測量逡逑換熱壁面溫度和熱通量，通常使用電阻加熱，以便在受控的確定熱流條件下進行逡逑實驗。當(dāng)然，不同的加熱方式還可以影響沸騰過程，特別是在離開核態(tài)沸騰和過逡逑渡區(qū)時，如圖２－３所示逡逑開放式邐受限式逡逑圖２－１不同幾何形狀的池沸騰逡逑熱載體１=邋}邐液體域逡逑？－ＡＷＡＶＶ＾逡逑Ｉ體壁ｂ逡逑了邋Ｆ邋？邐邐逡逑邐＾邐＃ＴＳ逡逑圖２－２熱載體的熱傳遞過程逡逑恒熱流邐ｆ邐＿邐／逡逑。，…………邋刈＿逡逑Ａ＊＊＂ｓａｉ邐＾ｓｆｆｌ逡逑圖２－３加熱方式對沸騰曲線的影響逡逑當(dāng)在低過熱度情況下的固體表面上發(fā)生沸騰時，可以看到在優(yōu)先成核位置重逡逑復(fù)形成汽泡。由于汽泡的上升速度明顯大于液相自然對流速度，而且汽泡吸收并逡逑１８逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2731514